射流對擴壓器流場穩定性的影響

韓 磊， 趙 惠， 張家忠

（1.沈陽鼓風機集團有限公司，遼寧 沈陽 110869；2.西安交通大學，陜西 西安 710048）

射流對擴壓器流場穩定性的影響

韓 磊1， 趙 惠1， 張家忠2

（1.沈陽鼓風機集團有限公司，遼寧 沈陽 110869；2.西安交通大學，陜西 西安 710048）

在設計工況下葉片擴壓器有利于提高離心壓縮機級效率和壓比。然而葉片擴壓器穩定運行工況范圍狹窄，超出該工況范圍葉片擴壓器產生的沖擊作用會降低離心壓縮機性能。因此在某些化工過程中，離心壓縮機在壓縮過程中獲得外部注入的射流。在擴壓器葉片上開孔，合理利用射流，能優化葉片擴壓器中流場結構，擴大其工況范圍。

射流；擴壓器；穩定性

0 引言

離心壓縮機單元級主要由轉子葉輪和擴壓器組成[1]。能量由轉子葉片傳遞給被壓縮流體介質，流體靜壓上升，速度增加。經過轉子后輸入的能量30%（后彎式）到50%（徑向式）轉換為介質的動能，這些動能將由無葉擴壓器或者有葉擴壓器轉化為靜壓能。

1 參數設定

圖1 離心壓縮機基本結構Fig.1 The general structure of a centrifugal compressor

離心壓縮機單元級，如圖1所示。擴壓器熱力學參數：進口壓力116287Pa，溫度309.221K，速度95m/s；出口 壓 力 115730Pa， 溫 度309.219K，速度71m/s，靜壓112958Pa。某葉片擴壓器模型擴壓器幾何參數見表1。

2 分析方法

表1 某葉片擴壓器參數Tab.1 Parameters of a vane diffuser

首先利用AutoCAD2010建立擴壓器幾何模型，導入COMSOL中做進一步處理。擴壓器模型如圖2所示，241為入口，法向流入速度為95m/s；242為出口，壓力112958Pa，粘滯應力為零；1、2為周期性邊界條件；其余翼型部分為壁面無滑移條件。

網格劃分用COMSOL自帶 “標準化網格劃分”。然后對葉片擴壓器進行九次正交試驗，通過在葉片吸力面合理位置開孔向擴壓器內注入射流，起到改善流場、延緩分離點的作用。未加入射流時擴壓器葉片流線如圖3所示。定義分離點相對位置系數c：

c反映出擴壓器葉片分離點在葉片上的相對位置，其取值范圍是0～1。若在翼尖附近發生分離，則分離點靠近翼尖位置，流體分離早，c接近0；若在遠離翼尖附近發生分離，則分離點靠近翼尖位置，流體分離晚，c較大。嚴格意義上說c值不會等于0或1，也不會很接近1。

圖2 COMSOL中擴壓器模型及邊界示意圖Fig.2 Vane diffuser model and boundary sketch map in COMSOL

無射流作用時，由圖中坐標可得出翼尖橫坐標為847.5，尾部尖端橫坐標為871，分離點橫坐標為848，定義無射流作用時分離點系數為c0，則：

圖3 基礎工況下擴壓器葉片流場圖Fig.3 The flow field diagram of vane diffuser on the basic condition

對表3結果進行初步分析后可以看出：①延緩分離最徹底的是試驗3，c3=0.255；②擁有較好延緩分離結果的是試驗4，c4=0.191。雖然試驗7中得到的結果比試驗4的要大，但由于試驗7已具有明顯的堵塞工況雛形，故舍去不計；③擁有一般延緩分離結果的是試驗2，是c2= 0.174；④延緩分離最不明顯的是試驗1，c1=0.064，c1僅是c0的3倍；⑤沒有產生延緩分離效果是試驗5，c5=c0= 0.021。結合正交試驗表，進一步進行極差分析后得到各水平K值和R值表格（見表4）。

表3 各試驗分離點系數結果表Tab.3 The results of each test separation point coefficient

毋庸置疑的是[2]，射流角度過大會導致擴壓器發生喘振工況[3]，因此對延遲分離點影響最重要的因素是射流角度，再次是孔口寬度，其次是射流速度，最后是孔口位置。

表4 極差分析結果表Tab.4 Range analysis results table

按以上分析結果，射流角度1（15°），射流速度3（150m/ s），孔口位置系數3（0.1），孔口寬度系數3（0.125）是最優值。按最優值工況設定驗證試驗以檢驗其結果。

最優值工況下得到的擴壓器葉片流線如圖4所示。由圖中坐標可得出翼尖橫坐標為847.5，尾部尖端橫坐標為871，分離點橫坐標為853.5，定義無射流作用時分離點系數為c最優，則：

檢驗結果：最優值工況下得到的分離點系數與試驗3中得到的系數相等，取得最大值，正交試驗結果得到證實。

圖4 最優值工況擴壓器葉片流場圖Fig.4 The flow field diagram of vane diffuser on the optimum condition

3 結束語

在設計工況下葉片擴壓器有利于提高離心壓縮機級效率和壓比。然而葉片擴壓器穩定運行工況范圍狹窄，超出該工況范圍葉片擴壓器產生的沖擊作用會降低離心壓縮機性能。因此在某些化工過程中[4]，離心壓縮機在壓縮過程中獲得外部注入的射流。在擴壓器葉片上開孔，合理利用射流，能優化葉片擴壓器中流場結構，擴大其工況范圍。

[1]徐忠．離心壓縮機原理[M]．機械工業出版社，1990．

[2]Synthetic Jet Actuators[J].AIAA paper,1998.

[3]Smith B L,Glezer A.Vectoring and Small-Scale Motions Effected in Free Shear Flows Using Synthetic Jet Actuators[J].AIAA paper,1997.

[4]方開泰，馬長興．正交與均勻試驗設計[M]．科學出版社，2001．

The Effect on the Stability of Fluidics to the Diffuser

HAN Lei1，ZHAO Hui1，ZHANG Jia-Zhong2
（1.Shenyang Blower Works Group Co.,Ltd.,Shenyang Liaoning 110869,China；2.Xi'an Jiaotong University，Xi'an Shaanxi 710048,China）

Vaned diffuser is helpful to improve centrifugal compressor efficiency and compression ratio at the design condition,but stationary operation range is narrow when beyond the scope of the condition of the effects of the shock vaned diffuser will reduce the performance of centrifugal compressor.So in some chemical process,centrifugal compressor in the compression process has to inject airstrem from external.Tapping on the diffuser vane and reasonable use of airstrem can optimize the vaned diffuser flow field structure,expand the scope of its working conditions.

fluidics；diffuser；stability

TP273

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.027

1002－6673（2014）03－068－02

2014－04－03

韓磊（1981-），男，碩士研究生，總工程師。從事壓縮機設計及開發工作；趙惠（1980-），女，碩士研究生，沈陽鼓風機集團主任科員。